基于保角变换的微小电容标准建模与设计
发布时间：2022-02-11 15:21
随着纳米技术与微电子行业的快速发展,元器件的小型化已是重要的发展趋势。电容作为三大基本阻抗元件之一,是电学信号传递的重要参数。实现精准便捷式亚pF及其量级以下的微小电容标准,不仅有助于实现硬件系统的小型化和高度集成化,也满足了在交流阻抗测量领域对微小电容的量值溯源和测量的需求。本课题简述微小电容标准建立的研究背景及研究意义,借助于可编程电容器中各电容单元的线性关系,提出一种利用可编程电容器中微小电容单元实现微小电容标准的方法。基于此,给出一个利用施瓦兹克里斯托佛变换求解考虑电容边缘效应影响的实际电容值的算法,借助于有限元分析软件Ansoft Maxwell辅助指导微小电容单元的设计,最终实现微小电容标准。提出微小电容标准检测系统方案设计,给出一种基于单片机STM32F429的微小电容检测系统的硬件设计原理,借助于Multisim以及Tina辅助仿真指导硬件电路搭建。本课题的具体研究工作如下:（1）介绍微小电容标准的研究背景与研究意义,阐述其物理意义及工业价值。其次,分析国际上的发展现状,提出到目前为止实现微小电容标准的难点,并给出实现微小电容标准的思路。对于微小电容标准检测方案,与交流...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可编程熔融石英标准电容器系统示意图
第二章可编程电容器微小电容检测系统总体方案设计12瘀傎瘀傌瘀瘀瘀瘀瘀ろ瘀①②⑤⑥④③图2.3可编程熔融石英标准电容器系统示意图可编程熔融石英电容器通过内部多个电容单元组合的方式，微小电容标准可通过多个电容单元组合补偿的方式实现，此方法对于所独立的电容单元的精度要求较低，且容易实现。对于可编程电容中的大电容单元而言，采用的是嵌套式Kelvin等电位保护电极的方法，即在下极板外沿也加保护电极，作为大电容单元的等电位保护电极；而小电容单元则嵌入在大电容单元以内，则大电容单元则为小电容单元的等电位保护电极（文章后序详细讲解），等效简化模型即所图2.3所示，由于大电容单元并非主要考虑因素，在图2.2中是省略大电容单元模型，小电容单元分布在上极板的边缘部分，图(a)中黄色部分为小电容单元的Kelvin等电位保护电极,可编程电容器采用的是公用下极板的方式，即如图2.2(b)所示，其中绿色部分为大电容单元的Kelvin等电位保护电极，蓝色部分即代表中间介质熔融石英。(a)可编程电容器中微小电容单元分布(b)可编程电容器下极板图2.4可编程熔融石英标准电容器系统示意图可编程熔融石英标准电容器的上下极板以及保护环采用光刻、掩膜等相关工艺电镀在熔融石英的上下表面，最终与外界的同轴开关组成完整装置。由图1.2可知，
青岛大学硕士学位论文19且网格划分后的模型如图2.9所示。可编程电容器被金属盒子包裹在内，通过电镀方式附着在熔融石英表面，熔融石英的介电常数为3.75。模型的外界条件加载：因为该模型通过金属盒子屏蔽外界电磁场的干扰，所以金属盒子为接地为0V，所有上极板电容模块为10V，下极板以及保护环为0V。图2.9可编程电容器网格划分2.3.1利用保角变换求解主电极电容值根据理论分析得到，微小电容单元受边缘效应导致的杂散电容影响比较大，要保证杂散电容能够在稳定范围内输出需选择适合的气隙大小，为验证猜测的可行性，在气隙范围大小内均匀取点，对30fF微小电容单元进行仿真，得到仿真结果与理论结果相对比。杂散电容值分析:首先对可编程电容器杂散电容进行理论分析和仿真分析，设定在气隙范围为0.01mm～0.2mm内均匀取20个点，即可到列向量12{{C,,....,},1,2,...,0}2TTiiCCCi(2-18)因为利用保角边缘求解电容值大小精度较低，在求解电容值大小的目的是要获知杂散电容的稳定范围，所以只需观察电容值的相对变化量即可，电容值的相对变化量列向量如下g211,,C1,2,..,20,.TTjjCCCjC(2-19)根据上述两个公式，得到{Cg}T仿真值和理论值变化趋势，仿真值和理论值的相对变化量趋势基本一致，结果如图2.10所示。在图中，H-Ⅰ区域是0.01mm~0.1mm范围内杂散电容的变化曲线，定义为剧变区，H-Ⅱ区域是0.1mm~0.2mm范围内杂散电容的变化曲线，定义为平缓区。在H-Ⅰ区内，杂散电容的理论值和仿真值斜率变化较大，可以理解为此区间内气隙尺寸略有变化，便会导致可编程容器上极板边缘部分电力线对下极板的作用加剧，引起杂
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于保角变换的微小电容标准建模与设计[J]. 吴晓媛,杨雁,贺青,迟宗涛. 仪器仪表学报. 2019(09)
[2]可编程熔融石英标准小电容的仿真研究[J]. 季晓玲,杨雁,贺青,迟宗涛,LEE READUK. 电测与仪表. 2019(08)
[3]基于Ansoft的容栅传感器边缘效应分析[J]. 武嘉俊,陈昌鑫,马铁华,刘莉. 仪表技术与传感器. 2016(02)
[4]一种用保角变换求解带电Kelvin电容器边缘效应所产生静电力的解析模型[J]. 李世松,张钟华,赵伟,黄松岭,傅壮. 物理学报. 2015(06)
[5]基于VCA822的增益自动控制电路[J]. 裴忠贵,梅笙. 中国高新技术企业. 2010(33)
[6]基于VCA822的正弦信号发生器程控放大器[J]. 张霆. 成都电子机械高等专科学校学报. 2009(03)
[7]一种高频宽带增益控制模块的设计与实现[J]. 宋宁美,陈斌. 电气电子教学学报. 2008(06)
[8]自动增益控制环路方程的一种简化处理方法及环路稳定时间分析[J]. 张立志,饶龙记,邬江兴. 通信学报. 2005(06)
[9]微型32级电可调电容器MAX1474及其应用[J]. 祝大卫. 电子元器件应用. 2003(03)
[10]微型32级电可调电容器MAX1474及其应用[J]. 祝大卫. 电子元器件应用. 2003 (03)
硕士论文
[1]基于Ansoft的高性能永磁同步电机性能分析与设计[D]. 张珊.燕山大学 2018
[2]基于LabVIEW的同轴开关控制系统设计及应用[D]. 姚梅玲.青岛大学 2017
[3]基于ANSOFT永磁同步电机电磁设计及性能研究[D]. 邱岳.大连理工大学 2015
[4]极微小电容的检测技术研究[D]. 冯佳.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[5]硅的氧化层及电容边缘效应对微加速度计性能的影响[D]. 杨辉.电子科技大学 2014
[6]基于静电力原理的微小力测量与控制系统[D]. 关涛.天津大学 2014
[7]微弱电容传感信号读取电路技术研究[D]. 熊丽霞.电子科技大学 2013
[8]高精度微弱电容检测技术研究[D]. 邢本凤.哈尔滨工业大学 2010
[9]MEMS电容式加速度传感器检测电路研究[D]. 刘冬.西安电子科技大学 2010
[10]可编程开关电容滤波器系统的研究与实现[D]. 夏晓荣.湖南大学 2009
本文编号：3620511
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可编程熔融石英标准电容器系统示意图
第二章可编程电容器微小电容检测系统总体方案设计12瘀傎瘀傌瘀瘀瘀瘀瘀ろ瘀①②⑤⑥④③图2.3可编程熔融石英标准电容器系统示意图可编程熔融石英电容器通过内部多个电容单元组合的方式，微小电容标准可通过多个电容单元组合补偿的方式实现，此方法对于所独立的电容单元的精度要求较低，且容易实现。对于可编程电容中的大电容单元而言，采用的是嵌套式Kelvin等电位保护电极的方法，即在下极板外沿也加保护电极，作为大电容单元的等电位保护电极；而小电容单元则嵌入在大电容单元以内，则大电容单元则为小电容单元的等电位保护电极（文章后序详细讲解），等效简化模型即所图2.3所示，由于大电容单元并非主要考虑因素，在图2.2中是省略大电容单元模型，小电容单元分布在上极板的边缘部分，图(a)中黄色部分为小电容单元的Kelvin等电位保护电极,可编程电容器采用的是公用下极板的方式，即如图2.2(b)所示，其中绿色部分为大电容单元的Kelvin等电位保护电极，蓝色部分即代表中间介质熔融石英。(a)可编程电容器中微小电容单元分布(b)可编程电容器下极板图2.4可编程熔融石英标准电容器系统示意图可编程熔融石英标准电容器的上下极板以及保护环采用光刻、掩膜等相关工艺电镀在熔融石英的上下表面，最终与外界的同轴开关组成完整装置。由图1.2可知，
青岛大学硕士学位论文19且网格划分后的模型如图2.9所示。可编程电容器被金属盒子包裹在内，通过电镀方式附着在熔融石英表面，熔融石英的介电常数为3.75。模型的外界条件加载：因为该模型通过金属盒子屏蔽外界电磁场的干扰，所以金属盒子为接地为0V，所有上极板电容模块为10V，下极板以及保护环为0V。图2.9可编程电容器网格划分2.3.1利用保角变换求解主电极电容值根据理论分析得到，微小电容单元受边缘效应导致的杂散电容影响比较大，要保证杂散电容能够在稳定范围内输出需选择适合的气隙大小，为验证猜测的可行性，在气隙范围大小内均匀取点，对30fF微小电容单元进行仿真，得到仿真结果与理论结果相对比。杂散电容值分析:首先对可编程电容器杂散电容进行理论分析和仿真分析，设定在气隙范围为0.01mm～0.2mm内均匀取20个点，即可到列向量12{{C,,....,},1,2,...,0}2TTiiCCCi(2-18)因为利用保角边缘求解电容值大小精度较低，在求解电容值大小的目的是要获知杂散电容的稳定范围，所以只需观察电容值的相对变化量即可，电容值的相对变化量列向量如下g211,,C1,2,..,20,.TTjjCCCjC(2-19)根据上述两个公式，得到{Cg}T仿真值和理论值变化趋势，仿真值和理论值的相对变化量趋势基本一致，结果如图2.10所示。在图中，H-Ⅰ区域是0.01mm~0.1mm范围内杂散电容的变化曲线，定义为剧变区，H-Ⅱ区域是0.1mm~0.2mm范围内杂散电容的变化曲线，定义为平缓区。在H-Ⅰ区内，杂散电容的理论值和仿真值斜率变化较大，可以理解为此区间内气隙尺寸略有变化，便会导致可编程容器上极板边缘部分电力线对下极板的作用加剧，引起杂
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于保角变换的微小电容标准建模与设计[J]. 吴晓媛,杨雁,贺青,迟宗涛. 仪器仪表学报. 2019(09)
[2]可编程熔融石英标准小电容的仿真研究[J]. 季晓玲,杨雁,贺青,迟宗涛,LEE READUK. 电测与仪表. 2019(08)
[3]基于Ansoft的容栅传感器边缘效应分析[J]. 武嘉俊,陈昌鑫,马铁华,刘莉. 仪表技术与传感器. 2016(02)
[4]一种用保角变换求解带电Kelvin电容器边缘效应所产生静电力的解析模型[J]. 李世松,张钟华,赵伟,黄松岭,傅壮. 物理学报. 2015(06)
[5]基于VCA822的增益自动控制电路[J]. 裴忠贵,梅笙. 中国高新技术企业. 2010(33)
[6]基于VCA822的正弦信号发生器程控放大器[J]. 张霆. 成都电子机械高等专科学校学报. 2009(03)
[7]一种高频宽带增益控制模块的设计与实现[J]. 宋宁美,陈斌. 电气电子教学学报. 2008(06)
[8]自动增益控制环路方程的一种简化处理方法及环路稳定时间分析[J]. 张立志,饶龙记,邬江兴. 通信学报. 2005(06)
[9]微型32级电可调电容器MAX1474及其应用[J]. 祝大卫. 电子元器件应用. 2003(03)
[10]微型32级电可调电容器MAX1474及其应用[J]. 祝大卫. 电子元器件应用. 2003 (03)
硕士论文
[1]基于Ansoft的高性能永磁同步电机性能分析与设计[D]. 张珊.燕山大学 2018
[2]基于LabVIEW的同轴开关控制系统设计及应用[D]. 姚梅玲.青岛大学 2017
[3]基于ANSOFT永磁同步电机电磁设计及性能研究[D]. 邱岳.大连理工大学 2015
[4]极微小电容的检测技术研究[D]. 冯佳.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[5]硅的氧化层及电容边缘效应对微加速度计性能的影响[D]. 杨辉.电子科技大学 2014
[6]基于静电力原理的微小力测量与控制系统[D]. 关涛.天津大学 2014
[7]微弱电容传感信号读取电路技术研究[D]. 熊丽霞.电子科技大学 2013
[8]高精度微弱电容检测技术研究[D]. 邢本凤.哈尔滨工业大学 2010
[9]MEMS电容式加速度传感器检测电路研究[D]. 刘冬.西安电子科技大学 2010
[10]可编程开关电容滤波器系统的研究与实现[D]. 夏晓荣.湖南大学 2009
本文编号：3620511
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